RENCANA PROPOSAL DISERTASI
PENGARUH ALUR BERBENTUK-V PADA PERMUKAAN SILINDER TERHADAP DRAG
OLEH : SI PUTU GEDE GUNAWAN TISTA,ST.,MT.
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Fenomena gerakan aliran fluida melintasi suatu benda (bluff body) memegang peranan sangat penting dalam aplikasi engineering seperti pada penukar kalor, pembakaran, alat transportasi , cerobong asap, dan bangunan. Dengan demikian penelitian fenomena aliran tersebut menjadi sangat penting jika dikaitkan dengan krisis energi yang melanda dunia dewasa ini. Pola aliran berbeda-beda tergantung geometri bluff body seperti silinder, segi empat, dan plat. Aliran external viscous yang mengalir melalui silinder akan mengalami stagnasi, lapisan batas, separasi(pemisahan) dan wake di belakang silinder. Untuk benda yang bergerak dalam fluida viscous, gaya drag (gaya hambat) dan gaya lift (gaya angkat) erat hubungannya dengan separasi aliran (Chew et al., 1997). Adanya separasi aliran akan menyebabkan timbulnya wake di belakang silinder yang mengakibatkan drag (hambatan). Semakin cepat terjadinya separasi aliran, wake akan semakin lebar sehingga drag semakin besar. Dalam dunia transportasi seperti mobil, pesawat udara dan kapal laut, drag yang besar dihindari, karena energi atau tenaga yang dibutuhkan untuk bergerak menjadi besar. Berbagai upaya telah dilakukan untuk mengurangi drag, diantaranya membuat bodi yang streamlines atau memanipulasi medan aliran. Sebagai contoh, jika drag dari mobil dan bangunan dapat dikurangi, maka banyak biaya bahan bakar dan material bisa dihemat (Tsutsui dan Igarashi, 2002). Banyak ditemukan peralatan yang menggunakan silinder dalam aplikasi engineering seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai dan sebagainya. Peralatan-peralatan tersebut, mengalami hembusan aliran udara setiap saat, sehingga akan membuat kekuatan konstruksi dari peralatan tersebut akan berkurang. Hal ini diakibatkan oleh adanya drag (gaya hambat) yang ditimbulkan oleh aliran udara, dimana arahnya searah dengan arah aliran. Oleh karena itu, salah satu usaha yang dilakukan untuk mengurangi drag adalah dengan memanipulasi medan aliran fluida. Untuk memanipulasi medan aliran diperlukan pengontrol aliran, dalam hal ini adalah pengontrol pasif yaitu dengan membuat alur berbentuk V pada permukaan silinder.
Pada penelitian sebelumnya, telah diamati aliran eksternal yang mengalir melalui alur berbentuk U pada permukaan silinder yang dibuat melintang dan rapat (tanpa jarak), sedangkan silinder diletakkan horizontal (Lim dan Lee, 2003) . Pada penelitian ini akan diamati pengaruh alur berbentuk V yang dibuat melintang, antar alur ada jarak dan posisi silinder diletakkan vertikal. 1.2. Rumusan Masalah: 1. Bagaimana pengaruh variasi jarak antar alur berbentuk V pada permukaan silinder terhadap drag 2. Bagaimana pengaruh variasi lebar alur berbentuk V pada permukaan silinder terhadap drag 3. Bagaimana pengaruh variasi bilangan Reynolds alur berbentuk V pada permukaan silinder terhadap drag 1.3. Tujuan penelitian: Mengetahui pengaruh variasi jarak antar alur, lebar alur, bilangan Reynolds alur berbentuk V pada permukaan silinder terhadap drag 1.4. Manfaat Penelitian a. Dapat diaplikasikan pada peralatan yang berbentuk silinder seperti tiang penyangga jembatan, cerobong asap, tiang pancang pengeboran minyak lepas pantai b. Dapat memperkaya konsep atau teori yang mendukung perkembangan ilmu pengetahuan tentang pengurangan drag pada silinder.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu Lim & Lee (2003), membahas aliran disekitar silinder yang dikontrol dengan membuatkan alur tipe -U pada permukaan silinder untuk mengurangi drag. Gaya drag dan statistik turbulensi dari wake dibelakang silinder diukur untuk bilangan Reynolds berdasarkan diameter silinder (D = 60 mm) dalam range ReD = 8 x 103 - 1,4 x 105 . Alur tipe U mengurangi koefisien drag yang bekerja pada silinder 18,6% dibandingkan dengan silinder smooth. Lee et al (2005), melakukan penelitian struktur aliran sekitar silinder dengan menggunakan alur V berukuran mikro. Diperoleh pada Re = 4.8 x 103 luasan pembentukan vortex di belakang silinder dengan alur V berkurang 10 % dan jumlah secondary vortices yang terbentuk berkurang 20%. Pada Re = 3.6 x 103 koefisien drag berkurang 7.6% dibandingkan silinder smooth. Huang S. (2011), Menguji pengaruh alur triple helical terhadap drag pada silinder dan induksi vortex vibrasi. Efek alur triple helical sangat efektif menurunkan drag pada silinder sebesar 25% pada rentang Re = 1.3 x 104 – 4.6 x 104, hal ini disebabkan karena helical grooves sangat efektif dalam menekan vortex vibration dalam arah cross flow. Lim & Lee (2004), membahas aliran disekitar silinder bulat yang dikontrol dengan menempelkan O ring untuk mengurangi gaya drag pada silinder. Gaya drag, kecepatan wake dan intensitas turbulensi diukur pada bilangan Reynolds dalam range R eD = 7,8 x 103 ~ 1,2 x 105 dengan variasi kombinasi diameter dan jarak puncak antara O ring yang berdekatan. Didapatkan hasil silinder yang dipasang dengan diameter O ring d = 0,0167D pada interval puncak dari PPD (jarak dari puncak ke puncak) = 0,165D menunjukkan maksimum pengurangan drag sekitar 9% pada ReD = 1,2 x 105, dibandingkan silinder halus. Tetapi, pemasangan gelang O dengan diameter lebih besar dari pada d = 0,067D hanya sedikit mengurangi drag. Yajima & Sano (1996), Mengkaji aliran sekitar silinder dengan melubangi sepanjang silinder dalam dua baris yang dibuat melintang diamater silinder. Pengurangan drag luar biasa didapat untuk bermacam-macam sudut serang. Besarnya pengurangan drag adalah 40% dibandingkan dengan silinder halus.
2.2 Aliran Melintasi Silinder Aliran inkompresibel melintasi silinder dapat dilihat pada gambar 1.
(a) Aliran Viscous
(b) Aliran Inviscid
Gambar 1. Gambar Kualititatif aliran pada suatu silinder (Fox, 1985) Pada Gambar1.a. menunjukkan aliran viscous pada suatu silinder, streamlines adalah simetris. Titik A adalah titik stagnasi dan selanjutnya terjadi boundarylayer.Dari titik A ke titik B terjadi kenaikan kecepatan yang berakibat penurunan tekanan dan selanjutnya dari titik B ke titik C terjadi penurunan kecepatan yang berarti terjadi kenaikan tekanan PC > PB. Di titik C momentum aliran tidak mampu melawan tegangan geser sehingga menyebabkan pecahnya boundary layer. Titik C disebut dengan point of separation. Di antara titik-titik atau tempattempat pemisahan boundary layer terjadi suatu kawasan yang disebut dengan wake.Makin besar wake makin besar terjadi perbedaan gaya di depan dan di belakang silinder berakibat makin besar gaya seret aliran terhadap silinder. Aliran inviscid digambarkan pada gambar 1.b. terlihat bahwa streamlines simetris, terjadi slip pada permukaan silinder dan perbedaan besar kecilnya kecepatan aliran ditunjukkan oleh rapat longgarnya streamlines yang ada dan juga tidak terjadi wake sehingga tidak terjadi gaya seret pada silinder. 2.2.
Bilangan reynolds ( Reynolds Number) Seorang ahli fisika bernama Reynolds telah melakukan percobaan-percobaan dengan
mengalirkan udara ke dalam pipa-pipa yang berlainan ukurannya. Bila kerapatan dan viskositan tetap, ternyata aliran udara laminar akan berubah menjadi aliran pusar (turbulen) pada suatu kecepatan tertentu dan besar kecepatan ini berbanding terbalik dengan diameter pipa yang dipakai. Bila aliran udara melewati suatu benda, maka dapat disimpulkan bahwa besar bilangan reynolds tersebut adalah: Berbanding lurus dengan density udara Berbanding lurus dengan kecepatan udara
Berbanding lurus dengan ukuran / panjang benda Berbanding terbalik dengan koefisien viskositas Dari hasil percobaan tersebut ditemukan bilangan yang tak berdimensi yang selanjutnya disebut Bilangan Reynolds dan dapat dirumuskan sebagai berikut :
Dimana : Re
=
. .
…………………………………………………….(2.1)
= Bilangan Reynolds (Reynolds Number) = Density udara (kg/
)
V
= Kecepatan udara (m/det)
µ
= Viskositas dinamik (kg/m.s)
2.3.
Pengaruh gradiasi tekanan pada aliran separasi Perbedaan yang terpenting antara aliran melewati benda tumpul dan aliran melewati plat
datar atau benda yang berkontur garis-aliran (streamlined body). Terletak pada perilaku lapisan batasnya. Lapisan batas fluida yang mengalir melewati permukaan sebuah benda yang berkontur garis aliran akan terpisah (separate) bila kenaikan tekanan sepanjang permukaan tersebut menjadi terlalu besar. Dalam hal benda yang menuruti kontur garis aliran maka perpisahan tersebut terjadi di dekat bagian belakang. Sebaliknya dalam hal benda tumpul, titik perpisahan (point of separation) sering kali tidak jauh dari tepi depan (leading edge ; hidung). Dibelakang titik perpisahan lapisan batas, fluida di dalam daerah didekat permukaan mengalir dalam arah yang berlawanan dengan aliran utama, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 2. (Kreith, 2001).
Gambar 2. Distribusi kecepatan menunjukkan pemisahan aliran pada silinder aliran melintang.
2.4. Peranan Alur V Pada pengurangan drag Salah satu upaya untuk mengurangi drag pada silinder adalah dengan menggunakan pengontrol aliran, dalam hal ini adalah membuat alur V pada permukaan silinder. Pengaruh utama pada alur V terutama pada redistribusi dari aliran, terjadi perbedaan besar tegangan geser antara di lembah dengan di puncak. Pada daerah lembah alur tegangan geser lebih rendah dibandingkan di puncak.
Gambar 3. Blowing effect pada alur V (Garcia et.al, 2015)
Adanya sepasang vortex yang diposisikan pada puncak alur (gambar 3) yang ketika berputar menghasilkan blowing effect pada lembah. Posisi dari pasangan vortex ini dan blowing effect menjelaskan tegangan geser yang menurun pada lembah dan meningkat pada puncak. Semakin tinggi tegangan geser menyebabkan penundaan separasi aliran sehingga terjadi pengurangan drag (Garcia et.al, 2015).
2.5. Koefisien Drag Drag yaitu hambatan dari aliran pada suatu benda. Drag ini merupakan hambatan dari gerakan suatu benda dan hambatan ini dapat terjadi juga pada dinding pipa tempat mengalirnya fluida. Energi harus diberikan untuk mengatasi drag serta untuk mempertahankan gerakan relatif antara benda dan aliran fluida serta untuk menghambat terjadinya deformasi pada suatu benda yang disebabkan drag . Perbedaan antara tekanan tinggi di daerah stagnasi di depan dengan tekanan di daerah belakang memberikan sumbangan seretan yang besar, yang disebut drag tekanan. Ini ditambahkan pada integrasi tegangan geser atau drag gesekan benda tadi yang lebih rendah, dengan kata lain koefisien drag dapat dibagi dalam dua macam :
1. Koefisien drag yang disebabkan oleh perbedaan tekanan antara bagian depan dan bagian belakang bodi disebut pressure drag. 2. Koefisien drag yang disebabkan oleh gesekan permukaan bodi dengan fluida disebut friction drag. Untuk mendapatkan koefisien drag (CD) digunakan persamaan (Lim & Lee, 2004) : CD
FD
(1)
1 .U o2 A 2
Keterangan : FD = Gaya drag (N) ρ = Densitas udara (kg/m3) Uo = Kecepatan aliran udara bebas (m/s) A = Luas frontal (m2) Pada penelitian ini perhitungan koefisien tekanan digunakan persamaaan (Lee, et al., 2004):
CP
P Po 1 2
U o
2
(2)
dengan : P
= Tekanan permukaan (N/m2)
Po = Tekanan statik (N/m2) Uo = Kecepatan aliran bebas (m/s) ρ = Densitas udara (kg/m3)
BAB III Metode Penelitian
3.1 Variabel Penelitian Agar penelitian yang dilakukan terarah dengan jelas, ditetapkan terlebih dahulu variabel yang terlibat, yaitu variabel bebas dan variabel tetap. 3.2.1 Variabel Bebas 1.
Silinder dengan ukuran: panjang 420 mm dan diameter 60 mm.
2.
Ukuran alur V : lebar 3mm dan dalamnya 1,5 mm , dengan variasi jarak antar alur : 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm dan 70 mm
3.
Lebar alur divariasikan : 2mm, 3mm, 4mm, 5mm dan 6 mm.
4.
Bilangan Reynolds divariasikan : 1,66.104, 2,07.104, 2,48.104, 2,9.104 dan 3,64.104.
3.2.2 Variabel Tetap 1.
Gaya drag (FD)
2.
Koefisien Tekanan (Cp)
3.
Koefisien drag (CD)
3.3 Alat dan Bahan Penelitian Peralatan dan bahan yang akan digunakan dalam melakukan penelitian adalah sebagai berikut: 1.
Lorong udara (wind tunnel). Lorong udara (wind tunnel) adalah peralatan yang digunakan untuk melakukan pengujian aerodinamik pada sebuah model. Model ditempatkan di dalam seksi uji terowongan angin. Lorong udara (wind tunnel) yang digunakan untuk menghembuskan udara yang di desain dengan bentuk khusus. Udara dihubungkan dengan blower. Untuk menyeragamkan aliran fluida berkecepatan rendah (<50 m/s) sebelum memasuki test section dibutuhkan sebuah penyearah. Dengan demikian ukuran benda uji dibatasi ukuran seksi uji (wind tunnel). Wind tunnel yang akan digunakan memiliki dimensi 2220mmx450mmx450mm (PxLxT).
2.
Pipa Pitot dan manometer.
Pipa pitot digunakan untuk mengukur tekanan total , U manometer digunakan untuk mengukur tekanan statis lingkungan dan inclined manometer untuk mengukur tekanan pada permukaan silinder dalam wind tunnel. 3.
Timbangan Digital Pada penelitian ini digunakan timbangan digital agar data yang didapat lebih akurat dibandingkan timbangan konvensional.
4.
Rel/ lintasan Rel atau lintasan adalah tempat dudukan benda uji agar dapat bergerak bebas maju mundur dengan gaya gesek yang kecil (dalam penelitian ini diabaikan).
5.
Blower Blower digunakan sebagai penghembus udara dalam wind tunnel.
6.
Pipa (silinder) dan alur berbentuk -V yang difungsikan sebagai alat uji perubahan drag. Silinder yang digunakan pipa PVC, dengan diameter pipa sebesar 60 mm dan panjang 420 mm. Pemberian alur pada permukaan silinder dengan ukuran alur: lebar 3mm dan dalam 1,5 mm.
3.4. Skema Rancangan Penelitian Dalam penelitian ini, penulis menggunakan 1 unit wind tunnel dengan benda uji berupa silinder dengan variasi jarak antar alur 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm dan 70 mm. Skema penelitian dapat dilihat pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 4. Skema Instalasi Penelitian
Keterangan : 1. Blower
6. Rel/lintasan
2. Wind tunnel
7. Timbangan digital
3. Pipa Pitot
8. Tuas
4. U Manometer
9. Benda uji
5. Inclined Manometer
10. Penyearah
3.5. Cara kerja dan Teknik Pengambilan Data 3.5.1
Pengukuran Gaya Drag(FD)
Setelah instalasi terpasang, pertama hidupkan blower (1), aliran udara yang dihembuskan mengalir dalam wind tunnel, melintasi penyearah(10) agar aliran udara dalam wind tunnel (2) mengalir rata ke seluruh bagian dalam wind tunnel. Setelah melewati penyearah udara melintasi benda uji (9) yang pada bagian atas dan bawahnya sudah terpasang rel/lintasan (6) agar benda uji dapat bergerak ke belakang setealah terkena hembusan udara, sehingga tuas (8) yang terpasang dibagian atas benda uji dapat mendorong timbangan (7) yang terpasang pada bagian atas wind tunnel, lalu timbangan akan mencatat besarnya massa , dengan mengalikan massa dengan gravitasi didapat gaya drag (FD) 3.5.2
Pengukuran tekanan statis lingkungan (Po), dan tekanan distribusi permukaan silinder (P).
Setelah pengukuran gaya hambat (FD) selesai, maka dilanjutkan untuk proses pengukuran tekanan pada permukaan silinder untuk mendapatkan harga koefisien tekanan (Cp), dimana untuk pengukuran tekanan pada permukaan silinder ditambahkan lubang sebanyak 36 titik dengan jarak antar lubang 10º dengan diameter lubang 1 mm dan dihubungkan dengan selang berdiameter 2 mm ke inclined manometer berdiameter 3 mm, untuk mengukur tekanan permukaan (P) digunakan alat ukur (5).
Gambar 5. Silinder beralur V 3.6 Kerangka Konsep Penelitian Drag adalah hambatan dari gerakan suatu benda, akibat adanya aliran yang melintasi benda tersebut seperti pada silinder.Timbulnya drag pada silinder akibat adanya separasi aliran yang disebabkan kecepatan aliran rendah, sehingga momentum aliran tidak mampu mengatasi gradien tekanan balik yang menyebabkan tekanan besar. Adanya alur V pada permukaan silinder tentu luasan frontal dari pada silinder berkurang, sehingga dibutuhkan gaya yang kecil untuk mendorong silinder. Pengaruh utama pada alur V terutama pada redistribusi dari aliran, terjadi perbedaan besar tegangan geser antara di lembah dengan di puncak. Pada daerah lembah alur tegangan geser lebih rendah dibandingkan di puncak. Adanya sepasang vortex yang diposisikan pada puncak alur yang ketika berputar menghasilkan blowing effect pada lembah (Garcia et.al, 2015). . Posisi dari pasangan vortex ini dan blowing effect menjelaskan tegangan geser yang menurun pada lembah dan meningkat pada puncak. Semakin tinggi tegangan geser maka kecepatan aliran semakin meningkat, menyebabkan penundaan separasi aliran sehingga terjadi pengurangan drag .
DAFTAR PUSTAKA Chew Y.T. , L S Pan , T S Lee, 1997. Numerical simulation of the effect of moving wall on separation of flow past a symmetrical aerofoil, ImechE, 212. Fox R.W., 1985. Introduction to fluid mechanics, John Wiley & Sons, New York. Garcia A.A, Gutierrez-Torres C.de C, Jimenez Bernal J. A., Mollinedo-Ponce de Leon H. R., Martinez-Delgadillo S. A., Barbosa-Saldana J. G., 2015. RANS simulations of the U and V grooves effect in the subcritical flow over four rotated circular cylinders, Journal of Hydrodynamics 27(4): 569-578 Kreith, Frank. Et.al, (2001). Principles of Heat Transfer, Seven Edition. Lim H.-C. and S.-J.Lee , 2003. PIV measurements of near wake behind a U-grooved cylinder, Journals of Fluids and Structures 18: 119-130. Lee S.J, Hee-Chang Lim, Manhee Han, Seung S. Lee., 2005. Flow control of circular cylinder with a V-grooved micro-riblet film, Fluid Dynamics Research 37: 246–266. Lim H.-C, and Sang-Joon Lee, 2004. Flow control of a circular cylinder with O-rings, Fluid Dynamic Research 35: 107 – 122. Shan Huang, 2011. VIV suppression of a two-degree-of-freedom circular cylinder and drag reduction of a fixed circular cylinder by the use of helical grooves, Journal of Fluids and Structures 27 1124–1133. Tsutsui T, and T Igarashi, 2002. Drag reduction of a circular cylinder in an air-stream, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90: 527-541 Yajima Y., and Osamu Sano, 1996. A note on the drag reduction of a circular cylinder due to double rows of holes, Fluid Dynamic Research 18: 237 – 243.
